Elektroliti kao hemikalije poznati su od davnina. Međutim, oni su relativno nedavno osvojili većinu svojih područja primjene. Razgovarat ćemo o područjima najvećeg prioriteta za industriju za korištenje ovih supstanci i otkriti šta su potonje i po čemu se razlikuju jedna od druge. Ali počnimo s digresijom u historiju.
Historija
Najstariji poznati elektroliti su soli i kiseline otkrivene u antičkom svijetu. Međutim, ideje o strukturi i svojstvima elektrolita su se vremenom razvijale. Teorije ovih procesa evoluirale su od 1880-ih, kada je došlo do brojnih otkrića vezanih za teorije svojstava elektrolita. Bilo je nekoliko kvalitativnih skokova u teorijama koje opisuju mehanizme interakcije elektrolita sa vodom (uostalom, samo u rastvoru oni dobijaju svojstva zbog kojih se koriste u industriji).
Sada ćemo detaljno analizirati nekoliko teorija koje su imale najveći utjecaj na razvoj ideja o elektrolitima i njihovim svojstvima. I počnimo s najobičnijom i najjednostavnijom teorijom koju je svako od nas učio u školi.
Arrheniusova teorija elektrolitičke disocijacije
1887Švedski hemičar Svante Arrhenius i rusko-njemački hemičar Wilhelm Ostwald stvorili su teoriju elektrolitičke disocijacije. Međutim, ni ovdje nije sve tako jednostavno. Sam Arrhenius je bio pobornik takozvane fizičke teorije rješenja, koja nije uzimala u obzir interakciju sastavnih tvari s vodom i tvrdila je da u otopini postoje slobodne nabijene čestice (joni). Inače, sa takvih pozicija se danas u školi razmatra elektrolitička disocijacija.
Popričajmo još o tome šta ova teorija daje i kako nam objašnjava mehanizam interakcije supstanci sa vodom. Kao i svi ostali, ona ima nekoliko postulata koje koristi:
1. Prilikom interakcije s vodom, tvar se raspada na ione (pozitivne - katione i negativne - anione). Ove čestice prolaze kroz hidrataciju: privlače molekule vode, koje su, uzgred budi rečeno, pozitivno nabijene s jedne, a negativno nabijene s druge strane (formiraju dipol), kao rezultat toga, formiraju se u vodene komplekse (solvate).
2. Proces disocijacije je reverzibilan - to jest, ako se supstanca raspala na ione, onda se pod uticajem bilo kog faktora može ponovo pretvoriti u prvobitnu.
3. Ako spojite elektrode na otopinu i pokrenete struju, tada će kationi početi da se kreću prema negativnoj elektrodi - katodi, a anioni prema pozitivno nabijenoj - anodi. Zato tvari koje su vrlo topljive u vodi provode struju bolje od same vode. Iz istog razloga se nazivaju i elektrolitima.
4. Stupanj disocijacije elektrolita karakterizira postotak tvari koja je prošla otapanje. Ovoindikator ovisi o svojstvima rastvarača i same otopljene tvari, od koncentracije potonjeg i od vanjske temperature.
Ovdje, zapravo, i svi osnovni postulati ove jednostavne teorije. Koristit ćemo ih u ovom članku da opišemo što se događa u otopini elektrolita. Analizirat ćemo primjere ovih spojeva malo kasnije, ali sada ćemo razmotriti drugu teoriju.
Lewisova teorija kiselina i baza
Prema teoriji elektrolitičke disocijacije, kiselina je supstanca u kojoj je prisutan vodonik kation, a baza je jedinjenje koje se u rastvoru raspada u anjon hidroksida. Postoji još jedna teorija nazvana po poznatom hemičaru Gilbertu Lewisu. Omogućava vam da donekle proširite koncept kiseline i baze. Prema Lewisovoj teoriji, kiseline su ioni ili molekuli tvari koje imaju slobodne elektronske orbitale i mogu prihvatiti elektron iz drugog molekula. Lako je pretpostaviti da će baze biti takve čestice koje su u stanju da doniraju jedan ili više svojih elektrona za "upotrebu" kiseline. Ovdje je vrlo zanimljivo da ne samo elektrolit, već i svaka tvar, čak i nerastvorljiva u vodi, može biti kiselina ili baza.
Brandsted-Lowry protolitska teorija
Godine 1923., nezavisno jedan od drugog, dva naučnika - J. Bronsted i T. Lowry - predložili su teoriju koju naučnici danas aktivno koriste za opisivanje hemijskih procesa. Suština ove teorije je u tomedisocijacija se svodi na prijenos protona iz kiseline u bazu. Dakle, potonji se ovdje razumije kao akceptor protona. Tada je kiselina njihov donator. Teorija također dobro objašnjava postojanje tvari koje pokazuju svojstva kiselina i baza. Takva jedinjenja se nazivaju amfoterna. U teoriji Bronsted-Lowryja za njih se također koristi izraz amfoliti, dok se kiseline ili baze obično nazivaju protoliti.
Došli smo do sljedećeg dijela članka. Ovdje ćemo vam reći po čemu se jaki i slabi elektroliti razlikuju jedni od drugih i razgovarati o utjecaju vanjskih faktora na njihova svojstva. A onda ćemo početi opisivati njihovu praktičnu primjenu.
Jaki i slabi elektroliti
Svaka supstanca interaguje sa vodom pojedinačno. Neki se u njemu dobro otapaju (na primjer, kuhinjska sol), dok se neki uopće ne otapaju (na primjer, kreda). Tako se sve tvari dijele na jake i slabe elektrolite. Potonje su tvari koje slabo komuniciraju s vodom i talože se na dnu otopine. To znači da imaju veoma nizak stepen disocijacije i visoku energiju veze, što u normalnim uslovima ne dozvoljava molekulu da se razgradi na njene sastavne jone. Disocijacija slabih elektrolita se dešava ili vrlo sporo, ili sa povećanjem temperature i koncentracije ove supstance u rastvoru.
Pričamo o jakim elektrolitima. To uključuje sve rastvorljive soli, kao i jake kiseline i baze. Lako se raspadaju na jone i vrlo ih je teško sakupiti u padavinama. Usput, struja u elektrolitima se provodiupravo zbog jona sadržanih u otopini. Stoga jaki elektroliti najbolje provode struju. Primjeri potonjeg: jake kiseline, alkalije, rastvorljive soli.
Faktori koji utiču na ponašanje elektrolita
Sada shvatimo kako promjene u vanjskom okruženju utiču na svojstva supstanci. Koncentracija direktno utiče na stepen disocijacije elektrolita. Štaviše, ovaj omjer se može izraziti matematički. Zakon koji opisuje ovaj odnos naziva se Ostwaldov zakon razblaženja i piše se na sljedeći način: a=(K / c)1/2. Ovdje je a stupanj disocijacije (uzet u frakcijama), K je konstanta disocijacije, koja je različita za svaku supstancu, a c je koncentracija elektrolita u otopini. Pomoću ove formule možete naučiti mnogo o supstanci i njenom ponašanju u otopini.
Ali skrećemo pažnju. Osim koncentracije, na stepen disocijacije utiče i temperatura elektrolita. Za većinu supstanci njegovo povećanje povećava rastvorljivost i reaktivnost. Ovo može objasniti pojavu nekih reakcija samo na povišenim temperaturama. U normalnim uslovima, oni idu ili veoma sporo, ili u oba smera (takav proces se naziva reverzibilnim).
Analizirali smo faktore koji određuju ponašanje sistema kao što je rastvor elektrolita. Sada pređimo na praktičnu primjenu ovih, bez sumnje, veoma važnih hemikalija.
Industrijska upotreba
Naravno, svi su čuli riječ "elektrolit"u odnosu na baterije. Automobil koristi olovne akumulatore, elektrolit u kojima je 40% sumporne kiseline. Da biste razumjeli zašto je ova supstanca uopće potrebna, vrijedi razumjeti karakteristike baterija.
Pa koji je princip bilo koje baterije? U njima se javlja reverzibilna reakcija transformacije jedne tvari u drugu, uslijed čega se oslobađaju elektroni. Kada se baterija napuni, dolazi do interakcije supstanci, koja se ne postiže u normalnim uslovima. Ovo se može predstaviti kao akumulacija električne energije u supstanci kao rezultat hemijske reakcije. Kada pražnjenje počne, počinje reverzna transformacija, koja dovodi sistem u početno stanje. Ova dva procesa zajedno čine jedan ciklus punjenja-pražnjenja.
Razmotrimo gornji proces na konkretnom primjeru - olovno-kiselinsku bateriju. Kao što možete pretpostaviti, ovaj izvor struje sastoji se od elementa koji sadrži olovo (kao i olovni dioksid PbO2) i kiselinu. Svaka baterija se sastoji od elektroda i prostora između njih, ispunjenog samo elektrolitom. Kao posljednja, kako smo već saznali, u našem primjeru koristi se sumporna kiselina u koncentraciji od 40 posto. Katoda takve baterije je napravljena od olovnog dioksida, a anoda od čistog olova. Sve je to zato što se na ove dvije elektrode javljaju različite reverzibilne reakcije uz učešće jona na koje se kiselina disocijacija:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(reakcija na negativnoj elektrodi - katodi).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (reakcija na pozitivnoj elektrodi - anodi).
Ako reakcije čitamo s lijeva na desno - dobijamo procese koji se dešavaju kada se baterija isprazni, a ako s desna na lijevo - pri punjenju. U svakom hemijskom izvoru struje ove reakcije su različite, ali mehanizam njihovog nastajanja se općenito opisuje na isti način: odvijaju se dva procesa, u jednom od kojih se elektroni "apsorbiraju", au drugom, naprotiv, " otići“. Najvažnije je da je broj apsorbovanih elektrona jednak broju emitovanih.
Zapravo, pored baterija, postoje mnoge primjene ovih supstanci. Općenito, elektroliti, čije smo primjere naveli, samo su zrno raznih supstanci koje se kombiniraju pod ovim pojmom. Okružuju nas svuda, svuda. Uzmimo, na primjer, ljudsko tijelo. Mislite li da ove supstance ne postoje? Veoma ste u zabludi. Ima ih svuda u nama, a najveća količina su elektroliti u krvi. To uključuje, na primjer, ione željeza, koji su dio hemoglobina i pomažu u transportu kisika do tkiva našeg tijela. Elektroliti u krvi također igraju ključnu ulogu u regulaciji ravnoteže vode i soli i funkcije srca. Ovu funkciju obavljaju joni kalija i natrijuma (postoji čak i proces koji se odvija u ćelijama, koji se naziva kalijum-natrijum pumpa).
Svaka supstanca koju možete čak i malo rastvoriti su elektroliti. A nema te industrije i našeg života sa vama, gdješta god da se primenjuju. Ovo nisu samo baterije u automobilima i akumulatori. Ovo je bilo koja hemijska i prehrambena proizvodnja, vojni pogoni, tvornice odjeće i tako dalje.
Sastav elektrolita je, inače, drugačiji. Dakle, moguće je razlikovati kiseli i alkalni elektrolit. One se fundamentalno razlikuju po svojim svojstvima: kao što smo već rekli, kiseline su donori protona, a alkalije akceptori. Ali s vremenom se sastav elektrolita mijenja zbog gubitka dijela tvari, koncentracija se ili smanjuje ili povećava (sve ovisi o tome što se gubi, voda ili elektrolit).
S njima se susrećemo svaki dan, ali malo ljudi zna tačno definiciju takvog pojma kao što su elektroliti. Pokrili smo primjere specifičnih supstanci, pa idemo na malo složenije koncepte.
Fizička svojstva elektrolita
Sada o fizici. Najvažnija stvar koju treba razumjeti pri proučavanju ove teme je kako se struja prenosi u elektrolitima. Ioni igraju odlučujuću ulogu u tome. Ove nabijene čestice mogu prenijeti naboj s jednog dijela otopine na drugi. Dakle, anioni uvijek teže pozitivnoj elektrodi, a kationi - negativnoj. Tako, djelujući na otopinu električnom strujom, razdvajamo naboje na različitim stranama sistema.
Veoma zanimljiva je takva fizička karakteristika kao što je gustina. O tome zavise mnoga svojstva spojeva o kojima raspravljamo. I često se postavlja pitanje: "Kako povećati gustinu elektrolita?" Zapravo, odgovor je jednostavan: morate smanjiti sadržajvode u rastvoru. Budući da je gustoća elektrolita u velikoj mjeri određena gustinom sumporne kiseline, ona u velikoj mjeri ovisi o koncentraciji potonje. Postoje dva načina za realizaciju plana. Prvi je prilično jednostavan: prokuhajte elektrolit koji se nalazi u bateriji. Da biste to učinili, morate ga napuniti tako da temperatura u njemu poraste nešto iznad stotinu stepeni Celzijusa. Ako ova metoda ne pomogne, ne brinite, postoji još jedna: jednostavno zamijenite stari elektrolit novim. Da biste to učinili, ocijedite staru otopinu, očistite unutrašnjost od ostataka sumporne kiseline destilovanom vodom, a zatim ulijte novu porciju. U pravilu, visokokvalitetne otopine elektrolita odmah imaju željenu koncentraciju. Nakon zamjene, možete zaboraviti na dugo vremena kako povećati gustinu elektrolita.
Sastav elektrolita u velikoj mjeri određuje njegova svojstva. Karakteristike kao što su električna provodljivost i gustoća, na primjer, jako zavise od prirode otopljene tvari i njene koncentracije. Postoji posebno pitanje koliko elektrolita može biti u bateriji. Zapravo, njegov volumen je direktno povezan s deklariranom snagom proizvoda. Što je više sumporne kiseline u bateriji, to je ona moćnija, tj. više napona može proizvesti.
Gdje to dobro dođe?
Ako ste auto-entuzijasta ili samo volite automobile, onda i sami sve razumijete. Sigurno čak i znate kako odrediti koliko je elektrolita sada u bateriji. A ako ste daleko od automobila, onda znanjesvojstva ovih supstanci, njihova primjena i način na koji međusobno djeluju neće biti nimalo suvišni. Znajući to, nećete biti na gubitku ako vas zamole da kažete koji se elektrolit nalazi u bateriji. Iako čak i ako niste auto-entuzijast, ali imate automobil, tada poznavanje akumulatorskog uređaja uopće neće biti suvišno i pomoći će vam u popravcima. Biće mnogo lakše i jeftinije da sve uradite sami nego da idete u auto centar.
A da biste bolje proučili ovu temu, preporučujemo čitanje udžbenika hemije za škole i univerzitete. Ako dobro poznajete ovu nauku i pročitali ste dovoljno udžbenika, Varypaevljevi "Izvori hemijske struje" bi bili najbolja opcija. Detaljno opisuje cijelu teoriju rada baterija, raznih baterija i vodoničnih ćelija.
Zaključak
Došli smo do kraja. Hajde da sumiramo. Iznad smo analizirali sve što se odnosi na takav koncept kao što su elektroliti: primjeri, teorija strukture i svojstva, funkcije i primjene. Još jednom vrijedi reći da su ovi spojevi dio našeg života, bez kojih ne bi mogli postojati naša tijela i sve oblasti industrije. Sjećate li se elektrolita u krvi? Zahvaljujući njima živimo. Šta je sa našim automobilima? Sa ovim znanjem, moći ćemo da riješimo svaki problem u vezi sa baterijom, jer sada razumijemo kako povećati gustinu elektrolita u njoj.
Nemoguće je sve reći, a mi nismo postavili takav cilj. Uostalom, ovo nije sve što se može reći o ovim nevjerovatnim supstancama.
